多點(diǎn)觸控技術(shù)實(shí)現(xiàn)面面觀
編輯：雁楓 [ 2011-4-19 9:57:40 ] 文章來源：數(shù)字標(biāo)牌網(wǎng)
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觸摸屏起源于20世紀(jì)70年代，是美國軍方因軍事用途而發(fā)展起來的一種裝置，80年代轉(zhuǎn)移民用，早期多被裝于工控計(jì)算機(jī)、POS機(jī)終端等工業(yè)或商用設(shè)備之中。這些領(lǐng)域的特點(diǎn)多為應(yīng)用環(huán)境不便使用鍵盤、鼠標(biāo)操控，或者根本就是僅需幾個(gè)簡(jiǎn)單的按鍵即可完成輸入動(dòng)作的設(shè)備，整體市場(chǎng)規(guī)模不大。
2007年iPhone手機(jī)的推出，是觸控行業(yè)發(fā)展中的一個(gè)里程碑。蘋果公司把一部至少需要20個(gè)按鍵的移動(dòng)電話，設(shè)計(jì)得僅需三、四鍵就能搞定，剩余操作全部交由觸摸屏來完成，使手機(jī)在外型變得更加時(shí)尚輕薄之后，又增加了人機(jī)直接互動(dòng)的親切感，最令人驚艷的是，蘋果還將以往主要用于大屏領(lǐng)域的電容式觸控技術(shù)引入小尺寸的手機(jī)屏幕，并實(shí)現(xiàn)了多點(diǎn)觸控功能，賦與了使用者更加直接、更加便捷、更加接近人們?nèi)粘Ｐ袨榈牟僮黧w驗(yàn)，引發(fā)了消費(fèi)者持續(xù)不斷的熱烈追捧，也開啟了觸摸屏向主流操控界面邁進(jìn)的征程，市場(chǎng)規(guī)模成倍數(shù)增長(zhǎng)。在此情況下，業(yè)內(nèi)眾多手機(jī)大廠、顯示大廠也紛紛致力于觸摸屏，特別是基于觸摸屏的多點(diǎn)觸控技術(shù)的研發(fā)，使多點(diǎn)觸控技術(shù)成為觸摸屏研發(fā)領(lǐng)域的一門無可爭(zhēng)議的顯學(xué)。
投射電容式技術(shù)仍處主流
傳統(tǒng)觸控技術(shù)，一次只能向控制器傳達(dá)一個(gè)觸點(diǎn)信息，而多點(diǎn)觸控技術(shù)卻能夠記錄同時(shí)發(fā)生的多點(diǎn)觸控信息。這與人們?nèi)粘Ｉ钪胁倏匚矬w的行為更加接近，更加受到消費(fèi)者的青睞，因此有實(shí)力的顯示大廠均致力于對(duì)此項(xiàng)技術(shù)的研究開發(fā)。目前市場(chǎng)上也出現(xiàn)了一系列與之相關(guān)的技術(shù)，主要有蘋果的投射式電容、TMD的SOG技術(shù)、三星的HTSP技術(shù)等。不過，后兩者不是存在制作成本較高，就是存在影響光與色彩的飽和度等問題，因此投射式電容技術(shù)仍是目前多點(diǎn)觸控技術(shù)中的兵家必爭(zhēng)之地。
電容式觸控技術(shù)中應(yīng)用較廣的是表面電容(Surface Capacitive)技術(shù)。它的架構(gòu)相對(duì)簡(jiǎn)單，采用一層ITO玻璃為主體，外圍至少有四個(gè)電極，在玻璃四角提供電壓，在玻璃表面形成一個(gè)均勻的電場(chǎng)，當(dāng)使用者進(jìn)行觸按操作時(shí)，控制器就能利用人體手指與電場(chǎng)靜電反應(yīng)所產(chǎn)生的變化，檢測(cè)出觸控坐標(biāo)的位置。不過，此種架構(gòu)也決定了表面電容式技術(shù)無法實(shí)現(xiàn)多點(diǎn)觸控功能，因?yàn)樗捎昧艘粋�(gè)同質(zhì)的感應(yīng)層，而這種感應(yīng)層只會(huì)將觸摸屏上任何位置感應(yīng)到的所有信號(hào)匯聚成一個(gè)更大的信號(hào)，同質(zhì)層破壞了太多的信息，以致于無法感應(yīng)到多點(diǎn)觸摸。另外，表面電容式觸摸屏還存在小型化的困難，很難應(yīng)用于手機(jī)屏幕，大多用于中大尺寸領(lǐng)域。
投射電容(Projective Capacitive)技術(shù)是實(shí)現(xiàn)多點(diǎn)觸控的希望所在。它的基本技術(shù)原理仍是以電容感應(yīng)為主，但相較于表面電容式觸摸屏，投射電容式觸摸屏采用多層ITO層，形成矩陣式分布，以X軸、Y軸交叉分布做為電容矩陣，當(dāng)手指觸碰屏幕時(shí)，可通過X、Y軸的掃描，檢測(cè)到觸碰位置電容的變化，進(jìn)而計(jì)算出手指之所在�；诖朔N架構(gòu)，投射電容可以做到多點(diǎn)觸控操作。
具體來看，投射電容的觸控技術(shù)主要有兩種：自我電容(self capacitance)式和交互電容(mutual capacitance)式。自我電容又稱絕對(duì)電容(absolute capacitance)，它把被感應(yīng)的物體（如手指）作為電容的另一個(gè)極板。當(dāng)手指觸碰屏幕時(shí)可在傳感電極和被傳感電極之間感應(yīng)出電荷，從而被感覺到。交互電容又叫做跨越電容(transcapacitance)，它是通過相鄰電極的耦合產(chǎn)生的電容。當(dāng)被感覺的手指靠近從一個(gè)電極到另一個(gè)電極的電場(chǎng)線時(shí)，交互電容的改變被感覺到，從而報(bào)告出位置。
根據(jù)兩種電容技術(shù)的原理不同，設(shè)計(jì)出的投射式電容觸摸屏的架構(gòu)也不相同，形成多點(diǎn)觸控的方式也就不同。與自我電容相關(guān)的是手勢(shì)的辨識(shí)追蹤與互動(dòng)(Gesture interaction)，也就是僅偵測(cè)、分辨多點(diǎn)觸控行為，如縮放、拖拉、旋轉(zhuǎn)等，實(shí)現(xiàn)方式為軸交錯(cuò)式(Axis intersect)技術(shù)。它是在導(dǎo)電層上進(jìn)行菱形狀感測(cè)單元規(guī)劃，每個(gè)軸向需要一層導(dǎo)電層。以兩軸型式為例，在偵測(cè)觸控行為時(shí)，感測(cè)控制器會(huì)分別掃描水平軸和垂直軸，產(chǎn)生電容耦合的水平/垂直感測(cè)點(diǎn)會(huì)出現(xiàn)上升波峰，這兩軸交會(huì)處即為觸控點(diǎn)。
其實(shí)，軸交錯(cuò)式電容式觸控技術(shù)，就是筆記本電腦觸控板上使用的技術(shù)。電腦觸摸板采用X、Y軸的傳感電極陣列形成一個(gè)傳感格子。當(dāng)手指靠近觸摸板時(shí)，在手指和傳感電極之間會(huì)產(chǎn)生小量電荷，此時(shí)通過運(yùn)算，即可確定物體的位置。當(dāng)然，觸控板與觸控屏幕最大差異在于，前者是不透明、后者是透明的。
不過需要指出的是軸交錯(cuò)式雖能實(shí)現(xiàn)多點(diǎn)觸控手勢(shì)辨識(shí)功能，但若要定位多點(diǎn)觸控的正確位置仍有困難。因?yàn)樵谶M(jìn)行兩個(gè)軸向的掃描時(shí)，兩個(gè)觸控點(diǎn)分別會(huì)在X軸與Y軸各產(chǎn)生兩個(gè)波峰，交會(huì)起來就產(chǎn)生4個(gè)觸點(diǎn)，其中兩個(gè)點(diǎn)是假性觸控點(diǎn)，這會(huì)使系統(tǒng)無法進(jìn)行正確判讀。解決的辦法是增加軸向，提高可辨識(shí)觸點(diǎn)位置、數(shù)目，每增加1軸向可多辨識(shí)1點(diǎn)(如3軸可辨識(shí)2點(diǎn)、4軸為3點(diǎn))；不過，每增加1個(gè)軸向，就要多1層導(dǎo)電層，這會(huì)增加設(shè)計(jì)的觸控面板厚度、重量與成本，都不是以手機(jī)等便攜式產(chǎn)品為主要應(yīng)用的觸摸屏廠商所樂見的。
復(fù)雜觸點(diǎn)可定位式(All point addressable)技術(shù)也能達(dá)成多點(diǎn)觸控功能，且能辨別觸控點(diǎn)確切位置，可以說是理想的多點(diǎn)觸控解決方案，iPhone即是采用此種觸控技術(shù)。它主要架構(gòu)為兩層導(dǎo)電層，其中一層為驅(qū)動(dòng)線(driving lines)，另一層為感測(cè)線(sensing lines)，兩層的線路彼此垂直。運(yùn)作上會(huì)輪流驅(qū)動(dòng)一條驅(qū)動(dòng)線，并量測(cè)與這條驅(qū)動(dòng)線交錯(cuò)的感測(cè)線是否有某點(diǎn)發(fā)生電容耦合現(xiàn)象。經(jīng)逐一掃描即可獲知確切觸點(diǎn)位置。
但是，要實(shí)現(xiàn)此種技術(shù)在，不論是導(dǎo)電層規(guī)劃、布線或CPU運(yùn)算，難度都提高許多，需要采用更加強(qiáng)大的處理器。以iPhone為例，它就是以兩顆獨(dú)立芯片分擔(dān)這項(xiàng)工作，一顆感測(cè)控制器，將原始模擬感測(cè)信號(hào)轉(zhuǎn)為X-Y軸坐標(biāo)；另一顆則是ARM7處理器，專門用來解讀這些信息，辨識(shí)手指動(dòng)作，并做出相應(yīng)的反應(yīng)。
此外，復(fù)雜觸點(diǎn)可定位技術(shù)還會(huì)面臨一些設(shè)計(jì)上挑戰(zhàn)，如需要供應(yīng)高電壓才能得到較好的信噪比表現(xiàn)，不適合在大尺寸面板使用等。
投射電容式多點(diǎn)觸控技術(shù)特性比較
其它多點(diǎn)觸控技術(shù)巡禮
因?yàn)樘O果在投射電容式觸控領(lǐng)域掌握多項(xiàng)關(guān)鍵專利，其它廠商在推出多點(diǎn)觸控產(chǎn)品之時(shí)，會(huì)有很大機(jī)率與蘋果發(fā)生專利糾紛，因此其它顯示大廠紛紛致力于其他可實(shí)現(xiàn)多點(diǎn)觸控功能技術(shù)的研發(fā)。
例如日廠TMD正在利用低溫多晶硅(LTPS)技術(shù)研發(fā)內(nèi)嵌傳感器的光感應(yīng)式多點(diǎn)觸控面板。其主要做法是在LTPS-TFT面板的每個(gè)像素中嵌入光傳感器，當(dāng)手指或光筆等觸摸屏幕時(shí)，會(huì)遮擋部分光線，此時(shí)通過光傳感器，即可感知并測(cè)算出觸點(diǎn)位置。由于該項(xiàng)技術(shù)是通過在液晶面板的像素中內(nèi)嵌光傳感器的方式感測(cè)觸控點(diǎn)的位置，因此可以同時(shí)檢測(cè)多個(gè)觸點(diǎn)，實(shí)現(xiàn)多點(diǎn)觸控的功能。此前，TMD已在日本、美國等地的多個(gè)光電展中展示過這項(xiàng)技術(shù)。不過，由于該技術(shù)的制造工藝相當(dāng)復(fù)雜，而且制作成本高昂，因此目前TMD還沒有將其導(dǎo)入市場(chǎng)的規(guī)劃。
近期三星也推出一種稱為混合觸控屏幕面板(Hybrid Touch Screen Panel，簡(jiǎn)稱HTSP) 的技術(shù)，可實(shí)現(xiàn)多點(diǎn)觸控功能。類似于TMD光感應(yīng)式多點(diǎn)觸控技術(shù)，三星通過將觸控屏幕電路內(nèi)制到TFT面板的前段工藝中，以相同的TFT工藝直接加入TFT面板中。由于是通過TFT像素元件感測(cè)觸碰點(diǎn)，三星表示此技術(shù)也可做到多點(diǎn)觸控。目前三星已在部分產(chǎn)品的屏幕上運(yùn)用這項(xiàng)技術(shù)。
另外，微軟推出的“微軟盒子”（Microsoft Surface）也可實(shí)現(xiàn)多點(diǎn)觸控功能。Microsoft Surface觸控面板原理和iPhone配備的投射電容式觸控面板或其它觸控技術(shù)均不相同。其它觸控技術(shù)不是根據(jù)物體對(duì)面板進(jìn)行物理上的接觸而感應(yīng)信號(hào)，就是通過手指上所帶的電或物體遮斷面板上的光波或聲波來感應(yīng)信號(hào)。Microsoft Surface的觸控技術(shù)卻是在主機(jī)內(nèi)部以5部紅外線攝影機(jī)和1部DLP投影機(jī)，直接檢測(cè)物體碰觸面板產(chǎn)生的影像，以達(dá)到辨別觸控信號(hào)的目的。Surface最多可同時(shí)感測(cè)52個(gè)觸點(diǎn)，支持多點(diǎn)觸控，甚至多人同時(shí)操作。只不過它的體積過于巨大厚重，無法應(yīng)用于手機(jī)屏幕之上，主要市場(chǎng)定位于飯店、餐廳、零售點(diǎn)等地的柜臺(tái)或游樂設(shè)施。
目前，觸摸屏的應(yīng)用范圍已變得越來越廣泛，從工業(yè)用途的工廠設(shè)備的控制/操作系統(tǒng)、公共信息查詢的電子導(dǎo)覽設(shè)施，商業(yè)用途的提款機(jī)，到消費(fèi)性電子的移動(dòng)電話、PDA、數(shù)碼相機(jī)等都可看到觸控屏幕的身影。當(dāng)然，這其中應(yīng)用最為廣泛的仍是手機(jī)。
根據(jù)ABI Research報(bào)告指出，2008年采用觸控式屏幕的手機(jī)出貨量超過1億部，預(yù)計(jì)2012年安裝觸控界面的手機(jī)出貨量將超過5億部。同時(shí)有跡象表明，觸摸屏在消費(fèi)電子產(chǎn)品中的應(yīng)用范圍正從手機(jī)屏幕等小尺寸領(lǐng)域向具有更大屏幕尺寸的筆記本電腦拓展。目前，戴爾、惠普、富士通、華碩等一線筆記本電腦品牌廠商皆有計(jì)劃推出具備觸摸屏的筆記本電腦或UMPC。隨著觸摸屏應(yīng)用領(lǐng)域的不斷拓寬，多點(diǎn)觸控技術(shù)的應(yīng)用范圍也會(huì)越來越寬。
特別是近日有消息稱，微軟的新一代操作系統(tǒng)Windows7將于今年第三季度上市，而Windows7最令人矚目的就是支持多點(diǎn)觸控功能，因此，人們大多預(yù)測(cè)Windows7上市后，將進(jìn)一步推進(jìn)觸摸屏的流行，同時(shí)也將推升多點(diǎn)觸控功能的深入人心。但有一點(diǎn)需要清醒地認(rèn)識(shí)到，多點(diǎn)觸控技術(shù)仍然很不完善，仍有很大提升的空間，在PC上的應(yīng)用更是處于萌芽階段，真正成熟至少還需等上3~5年。
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